DE1282200B

DE1282200B - Thermionic energy converter

Info

Publication number: DE1282200B
Application number: DEB77515A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Alfred Jester; Dr Reinhard Langpape; Dr Kurt Stahl; Dr Herbert Winkenbach
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1964-07-03
Filing date: 1964-07-03
Publication date: 1968-11-07
Also published as: CH428874A; GB1081778A; US3382154A; FR1437187A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

G21hG21h

Deutsche Kl.: 21g-21/30
21b - German classes : 21g -21/30
21b -

Nummer: 1282200Number: 1282200

Aktenzeichen: P 12 82 200.3-33 (B 77515)File number: P 12 82 200.3-33 (B 77515)

Anmeldetag: 3. Juli 1964 Filing date: July 3, 1964

Auslegetag: 7. November 1968Open date: November 7, 1968

Die Erfindung betrifft einen thermionischen Energiewandler mit einem, der Elektronenemission dienenden elektrisch leitenden Emitter und mit im Emitter angeordneten diskreten Brennstoffkörpern zur Aufheizung des Emitters auf eine für die Elektronenemission ausreichende Temperatur.The invention relates to a thermionic energy converter with an electron emission Serving electrically conductive emitters and with discrete fuel bodies arranged in the emitter for heating the emitter to a temperature sufficient for electron emission.

Thermionische Energiewandler haben die Aufgabe, Wärmeenergie unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln. Sie bestehen jeweils aus zwei eng benachbarten Elektroden, deren eine als'Emitter auf eine so hohe Temperatur aufgeheizt ist, daß Elektronen emittiert werden. Diese Elektronen werden von der anderen Elektrode, dem Kollektor, gesammelt. Die kinetische Energie der emittierten Elektronen zuzüglich der Austrittsarbeit des Kollektors steht als elektrische Energie zur Verfügung. Wie von den Glühemissionsröhren bekannt ist, entsteht vor einer Elektronen emittierenden Fläche eine negative Raumladung, die den weiteren Austritt von Elektronen behindert. Aus diesem Grunde wird die Raumladung durch positive Ionen, beispielsweise durch Caesiumionen, kompensiert. Als Wärmequelle dient im allgemeinen Kernbrennstoff, der im Emitter des thermionischen Energiewandlers angeordnet ist. Jeweils mehrere dieser Energiewandler werden zu Brennstäben zusammengefaßt, die Teil der Spaltzone eines Reaktors sind.Thermionic energy converters have the task of converting thermal energy directly into electrical energy To convert energy. They each consist of two closely spaced electrodes, one of which is used as an emitter is heated to such a high temperature that electrons are emitted. These electrons will collected by the other electrode, the collector. The kinetic energy of the emitted Electrons plus the work function of the collector are available as electrical energy. As is known from incandescent emission tubes, an electron-emitting surface is created in front of an electron-emitting surface negative space charge, which hinders the further escape of electrons. For this reason, the Space charge compensated for by positive ions, for example by cesium ions. As a heat source is generally used nuclear fuel, which is arranged in the emitter of the thermionic energy converter. Several of these energy converters are combined to form fuel rods, which are part of the fission zone of a reactor.

Zur Erzielung eines wirtschaftlichen Wirkungsgrades muß die Emitteroberfläche eine Temperatur von etwa 2000° K aufweisen und die ihr zugeführte Dichte der Wärmeleistung mindestens 50 Watt/cm² betragen. Zur Erzielung eines großen Wirkungsgrades eines Energiewandlers ist es erforderlich, daß der elektrische Widerstand des Emitters hinreichend klein ist. Aus diesem Grunde soll ein Emitter eine Wandstärke von etwa 2 bis 3 mm aufweisen.In order to achieve economic efficiency, the emitter surface must have a temperature of about 2000 ° K and the density of the heat output supplied to it must be at least 50 watts / cm ² . To achieve a high efficiency of an energy converter, it is necessary that the electrical resistance of the emitter is sufficiently small. For this reason, an emitter should have a wall thickness of approximately 2 to 3 mm.

Weiterhin ist zu beachten, daß der Emitter eines thermionischen Energiewandlers einen Durchmesser von mindestens 10 mm haben soll, da einerseits die Leistung proportional der Emitteroberfläche ist und andererseits die Herstellungskosten eines Energiewandlers von kleineren Abmessungen nicht wesentlich geringer sind.It should also be noted that the emitter of a thermionic energy converter has a diameter of at least 10 mm, since on the one hand the power is proportional to the emitter surface and on the other hand, the manufacturing cost of an energy converter of smaller dimensions is not significant are lower.

Es ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1105 076), den Kernbrennstoff in Form eines Zylinders in einer zentralen Bohrung des Emitters anzuordnen. Jedoch sind bei dieser Anordnung die obengenannten Betriebsbedingungen nicht gleichzeitig erfüllbar. Infolge der geringen Wärmeleitfähigkeit des Kernbrennstoffes kann bei Emittern von etwa 10 mm Durchmesser und Wandstärken von etwa 2 bis 3 mm eine Oberflächentemperatur von etwa 2000° K nicht er-Thermionischer EnergiewandlerIt is known (German Auslegeschrift 1105 076), to arrange the nuclear fuel in the form of a cylinder in a central bore of the emitter. However With this arrangement, the above-mentioned operating conditions cannot be met at the same time. As a result The low thermal conductivity of the nuclear fuel can be caused by emitters of about 10 mm in diameter and wall thicknesses of about 2 to 3 mm a surface temperature of about 2000 ° K non-er-thermionic Energy converter

Anmelder:Applicant:

Brown, Boverie & Cie. Aktiengesellschaft,Brown, Boverie & Cie. Corporation,

6800 Mannheim-Käfertal, Kallstadter Str. 16800 Mannheim-Käfertal, Kallstadter Str. 1

Als Erfinder benannt:
Dr. Kurt Stahl, 6941 Hohensachsen;
Dr. Herbert Winkenbach, 6906 Leimen;
Dipl.-Phys. Alfred Jester, 6720 Speyer;
Dr. Reinhard Langpape, 6800 MannheimNamed as inventor:
Dr. Kurt Stahl, 6941 Hohensachsen;
Dr. Herbert Winkenbach, 6906 Leimen;
Dipl.-Phys. Alfred Jester, 6720 Speyer;
Dr. Reinhard Langpape, 6800 Mannheim

reicht werden, falls vermieden werden soll, daß der Kernbrennstoff mindestens zum Teil flüssig wird.be sufficient if it is to be avoided that the nuclear fuel is at least partially liquid.

Die andere Möglichkeit, die Durchmesser von Emitter und Brennstoffkern entsprechend klein zu wählen, scheidet aus wirtschaftlichen Gründen aus. Ein derartiger Wandler würde einen sehr hohen Neutronenfluß voraussetzen, der einen großen Abbrand zur Folge hätte.The other option is to make the diameter of the emitter and fuel core correspondingly small vote, is ruled out for economic reasons. Such a converter would be very high Assume neutron flux, which would result in a large burnup.

Es ist weiterhin bekannt (deutsche Auslegeschrift 1112 213), den Kernbrennstoff in Hohlräumen eines Körpers, z. B. aus Graphit, Molybdän oder Wolfram, anzuordnen, der eine Elektronen emittierende Schicht trägt, so daß die Schicht mit dem Kernbrennstoff über einen relativ großen Wärmewiderstand verbunden ist.It is also known (German Auslegeschrift 1112 213), the nuclear fuel in the cavities of a Body, e.g. B. made of graphite, molybdenum or tungsten to arrange the one electron-emitting layer carries, so that the layer is connected to the nuclear fuel via a relatively large thermal resistance is.

Aus der Zeitschrift »Atomkernenergie«, Jg. 9, 1964, Heft 1/2, S. 64 bis 67, ist ein thermionischer Konverter bekannt, bei dem der Kernbrennstoff in eine Kapsel aus Platin eingeschlossen ist, die über schmale Rippen in Wärmekontakt mit einem Wolframgehäuse steht, dessen Oberfläche als Emitter dient. Auch hier ist die Elektronen emittierende Schicht über einen relativ großen Wärmewiderstand mit dem Kernbrennstoff verbunden.From the magazine "Atomkernenergie", vol. 9, 1964, issue 1/2, pp. 64 to 67, is a thermionic Known converter, in which the nuclear fuel is enclosed in a capsule made of platinum, which over narrow ribs are in thermal contact with a tungsten housing, the surface of which acts as an emitter serves. Here, too, the electron-emitting layer has a relatively large thermal resistance associated with the nuclear fuel.

In der österreichischen Patentschrift 232 149 und in der USA.-Patentschrift 3 121048 sind thermionische Konverter beschrieben, deren Emitterkörper aus einer gesinterten Brennstoffkarbid-Metallkarbid-Mischung besteht. Bei diesen Anordnungen können die bei der Kernspaltung entstehenden Gase durch den Emitterkörper hindurch in den Spalt zwischen Emitter und Kollektor diffundieren.In Austrian patent specification 232 149 and in USA patent specification 3 121048 are thermionic Converter described, the emitter body of which is made from a sintered fuel carbide-metal carbide mixture consists. With these arrangements, the gases produced during nuclear fission can pass through diffuse through the emitter body into the gap between emitter and collector.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Nachteile, insbesondere den großen Wärmewiderstand, zu vermeiden.The invention is based on the problem of the known disadvantages, in particular the major ones Thermal resistance, to avoid.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Kernbrennstoff in Form von metallisch ummantelten Brennstoffteilchen im Emittermaterial eingebettet ist.This object is achieved in that the nuclear fuel is embedded in the form of metallic coated fuel particles in the emitter material.

Die Zeichnung gibt in den Fig. 1 und 2 je ein besonderes Ausführungsbeispiel des thermionischen Energiewandlers wieder.The drawing is in FIGS. 1 and 2 each special embodiment of the thermionic energy converter again.

In Fi g. 1 weist der Emitter 1, der als Hohlzylinder ausgebildet ist, Bohrungen 2 auf, deren Wandung von mit einer Schicht 4 ummantelten Brennstoffteilchen 3 berührt wird. In Fi g. 1, the emitter 1, which is designed as a hollow cylinder, has bores 2, the wall of which is touched by fuel particles 3 coated with a layer 4.

Infolge dieser Ummantelung wird an den Berührungsstellen der Teilchen untereinander und an der Wandung der Bohrungen die Wärme rasch abgeführt und dem Emitter zugeleitet. . .. . ,.As a result of this sheathing is at the points of contact between the particles and on the wall of the bores, the heat is quickly dissipated and fed to the emitter. . ... ,.

In Fig. 2 sind in dem Emitter 5 die Zwischenräume zwischen den vom metallischen Mantel 4 umgebenen KembrennstofÖeilchen3^!mit^: Emittermaterial ausgegossen. Auf diese Weise wird ein besonders guter Wärmekontakt zwischen den Teilchen mit dem Emittermaterial gewährleistet.In FIG. 2, the spaces between the nuclear fuel particles 3 surrounded by the metallic jacket 4 are in the emitter 5 ^! with ^: emitter material poured out. In this way, particularly good thermal contact between the particles and the emitter material is ensured.

Die ummantelten Brennstoffteilchen können untereinander und mit dem Emittermaterial zu entsprechenden· Körpern zusammengesintert werden.The coated fuel particles can be mixed with each other and with the emitter material to form corresponding Bodies are sintered together.

Die oben beschriebene Brennstoffanordnung gewährleistet eine hohe Temperatur an der Emitteroberfläche, ohne daß der Neütronenfluß extreme Werte annehmen muß oder daß die Abmessungen der thermionischen Wandler verringert werden müssen. The fuel assembly described above ensures a high temperature at the emitter surface without the neutron flux having extreme values must assume or that the dimensions of the thermionic transducers must be reduced.

Claims

Claim:

Thermionic energy converter with an electrically conductive emitter serving for electron emission and with discrete nuclear fuel bodies arranged in the emitter for heating the emitter to a temperature sufficient for electron emission, thereby geke η η ze i ah η e 1 that the nuclear fuel in the form of metallic coated fuel particles in the emitter material is embedded.

Considered pressure units:
German Auslegeschriften No. 1112-213 ,;
1105076; _? .-- · ... ·: -: -

Austrian. Patent No. ,, 232.; 149y ··
U.S. Patent No. 3,112,104.8; -;.! = ,:,
Atomic Nuclear Energy, Vol. 9, 1964, -K 2, S, 64.

For this , 1 sheet of drawings